基于各向异性岩体渗透参数分析的矿区地下水环境预测

王 清，张 强，唐海平，谢怀前

(1.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都610059;2.中国电力工程顾问集团西南电力设计院，四川 成都610021)

随着社会对钢铁需求量日益剧增，地表的铁矿资源已经不能满足需要，而经勘查发现，地下矿脉产量巨大，且地下采矿技术条件成熟，地下采矿便成为解决资源缺口的有效途径。

迁安某矿区为鞍山式沉积变质矿床，在地表开采后，矿山拟进行地下开采阶段。在巷道的开挖和矿体的采掘过程中，必定会引起贮存在岩土体中的地下水涌入巷道，进而引起采矿区周边的地下水渗流场的变化。如果将矿区岩体视为各向同性的介质来建立渗流模型，那么地下水降落漏斗会在各个方向均匀扩大，形成圆形降落漏斗。这样不能确定受地下水位下降影响的重点区域，而忽略原本受影响较严重的敏感点。

而地下水在深部岩体中的渗流主要受裂隙的影响，具有非均质各向异性的特点。本文通过渗透张量的实测、计算，建立各向异性的矿区岩体渗流模型，以期准确地刻画地下水渗流场的变化，预测采矿区降落漏斗的幅度与范围，为矿区地下水环境保护以及供给矿区周边村民日常用水提供科学依据。

1 矿区水文地质及岩体结构特征

由于地下采矿工程主要是在基岩中进行，虽然天然岩体都具有孔隙—裂隙两重性，表征这两重性的孔隙率、裂隙率、岩石基质的水力传导率和裂隙的水力传导率均不相同，且基岩中孔隙率极低，裂隙的发育占有绝对的优势，渗流运动主要在裂隙中进行［1］。地下水在岩体中的渗流有显著的各向异性和具有强烈的非均质性特点。因此，用渗透张量来描述岩体渗透的上述两个特点。

岩体渗透张量的获得主要有以下两种方法:(1)现场专门压水试验(Louis三段压水试验，Hsich＆Neuman交叉孔压水试验)，虽然可较好地反映试验区段的地质环境，但代表范围有限而且试验费用较高而难以在实际工程中大量使用。(2)根据裂隙几何参数计算渗透张量，不仅在理论上是完备的，而且在实际应用中按照一定的抽样原则大量测量裂隙几何参数，可得大量的岩体渗透张量数据，是本文讨论的渗透张量的获取方式［2］。

迁安铁矿区属温带大陆性气候，冬春两季干旱少雨，蒸发量大于降水量，多年平均降水量648.48 mm，雨季6～9月份四个月占全年降水总量的82.1%，多年平均蒸发量1 629.4 mm(1976～2010年)，常形成旱季。矿区位于燕山山脉南麓，属于低山丘陵地貌。地势总体西北高、东南低，自西北向东南倾斜，并由低山丘陵逐渐向冲洪积平原过渡，海拔70～446 m，地形起伏较大。矿区广泛出露的地层有太古界迁西群古老的变质岩系，西部高山地带的中元古界长城系地层，二者呈角度不整合接触，北部及中部有侏罗系后城组砾岩分布，第四系位于平地(平原)及沟谷中。

根据钻孔资料和研究矿区水文地质结构特征以及风化程度，垂向上有第四系和太古界迁西群三屯营组(Ars)，按渗透性分为覆盖层，强风化岩体，微风化及新鲜岩体，其中第一层覆盖层据钻孔资料层厚1～24 m，第二层强风化岩体层厚11～25 m，第二层以下的为微新岩体。矿区南部发育近东西展布的逆断层F1，在上盘靠近下盘的地方出露断层泉，流量为0.014 L/s，即断层为阻水断层。矿区岩体结构分层剖面见图1。

图1 矿区岩体结构图

本次研究共计在矿区测量裂隙229条，裂隙较为密集，间距均较小，平均0.5～1 mm。通过对裂隙参数进行统计分析，矿区主要发育6组裂隙(见图2)。

通过图1的统计，结合现场裂隙统计数据，得到控制渗流的岩体裂隙的参数(见表1)。

图2 矿区裂隙优势方位统计

表1 优势裂隙参数

2 矿区岩体各向异性渗透参数获取

岩体裂隙的渗透性取决于裂隙的性质和分布。因而，可通过裂隙在空间展布状况(走向、倾向、倾角、开度和间距)的测量，运用统计学分析方法初步确定岩体的渗透张量［3］。

空间直角坐标系定义为:x轴对应正东方向，y轴对应正北方向，z轴垂直向上。理论上可证明渗透张量是一对称张量，因而可通过坐标旋转找到一新的直角坐标系使k为对角张量，即是:

取三个渗透主值的几何平均值为综合渗透系数:

在实际工程应用中，对裂隙的隙宽和间距很难做出精确的评价，而且由于张开裂隙渗透性正比于裂隙隙宽的立方，故裂隙宽度测量上的误差将给渗透张量的计算带来很大误差。因此需要对由统计学方法求得的渗透张量进行修正［4］。

主渗透张量的方向只取决于裂隙组的产状。据ЧЕРНЬⅠЁВ(1979)［5］研究认为，风化作用、开挖卸荷等表生作用并不能对裂隙网络产生根本性的改变，而仅仅是有限范围内的改造，其中最明显的是裂隙面的开度，对结构面的产状、间距和长度的影响不甚明显。因此，对于某一工程地质单元的渗透张量的主方向完全可以通过裂隙样本法来确定，在此基础上可充分利用抽水试验取得的综合渗透系数数值，将两者有效结合起来，为了利用抽水试验取得的平均渗透系数数值来修正裂隙样本法取得的渗透张量，定义修正系数m为

根据(1)式和(3)式，得到反映原位地质环境裂隙岩体的修正渗透张量Km为

依据前面所述方法，对研究区进行裂隙抽样调查，共计调查裂隙229条，通过对优势裂隙进行统计，即裂隙宽度，裂隙间距，倾角和倾向的统计，进行渗透张量的计算，得到Kx=0.010 m/d，Ky=0.012 m/d，Kz=0.017 m/d。根据(2)式，求得综合渗透系数为K0=0.013 m/d。对研究区进行钻孔抽水试验资料的数据进行整理，得到综合渗透系数，强风化岩体0.04 m/d，微新岩体为 0.033 m/d。然后根据(3)式和(4)式进行渗透张量的修正。修正结果见表2。

表2 修正渗透主值

3 矿区地下水渗流模拟预测评价

将修正后的渗透主值应用到Visual Modflow中，进行各地层的渗透系数赋值，根据地下开采空间结构(见图3)，建立各向异性的渗流模型。将采矿区基岩上覆盖层视为均质各向同性地层，渗透系数由双环试坑注水试验得到。模型中各层渗透系数赋值见表3。

图3 地下开采空间结构图

根据开采方案，确立地下采矿工程的空间结构，以非稳定流进行运行，预测建设期和运营期各时段的地下水降落漏斗。

建设期分为三个时段，地下开采层位从浅至深，以建设期的第一阶段和第三阶段的地下水位降深等值线图来表示降落漏斗影响范围的变化趋势，如下图4和图5。

表3 模型参数取值

图4 建设期第一阶段地下水降深等值线图

图5 建设期第三阶段地下水降深等值线图

建设期第一阶段开挖到海拔-115 m，第三阶段开挖到海拔-340 m。对比图4和图5可以看出，随着建设向下发展，研究区周边越来越多的地下水汇入开采巷道，地下水降落漏斗的影响范围逐渐扩大，并以近似椭圆形态出现。建设期第一阶段，地下水位下降影响到了二郎庙村供水井，降幅为8 m，影响面积为2.30×106m2;建设期第三阶段，地下水降落漏斗导致刘庄子村供水井下降7 m，影响面积为2.59×106m2。其中建设阶段时间为4年，即降落漏斗扩大速度为7.31 ×104m2/a。

建设期完成，地下开矿进入运营期，地下水继续流入生产巷道，降落漏斗的范围将会进一步发生变化，用运营5 a，10 a，15 a，20 a的地下水降深等值线图(图6～9)来显示研究区地下水降落漏斗的变化趋势，可以预测生产对矿区周边居民集中供水点影响程度，进而对可能出现的诸如造成饮水问题的情况进行预防，达到生产生活顺利进行的效果。

图6 运营5 a地下水降深等值线图

图7 运营10 a地下水降深等值线图

图8 运营15 a地下水降深等值线图

以上各图进一步表明，运营期间，地下水降落漏斗继续扩大:东至孟官营村，西到蔡园村和张家窑村，北至大杨庄村，南到新庄村，共影响11个敏感点;影响面积从运营5 a的5.60×106m2扩大到运营 20 a的 9.00×106m2，扩大速度为1.70×105m2/a;影响幅度较大为二郎庙村，李庄子村和刘庄子村，地下水位降幅为30～75 m。

并且降落漏斗在x轴，y轴，z轴上不均匀扩大，其影响范围形状继续以椭圆形态出现。因此，地下水在岩体中渗流主要受控于岩体的裂隙，与岩体中裂隙发育形态和方向有关。矿区地下水渗流为在非均质各向异性介质中的非稳定流。

图9 运营20 a地下水降深等值线图

4 结语

裂隙测量的渗透张量方法，应用统计学方法全面对裂隙岩体做抽样调查，测量裂隙系统的水力参数，能较快获得大量计算渗透张量的基础数据，获得不同位置空间各主渗透方向的渗透系数，构成一个三维渗透系数张量场，准确地刻画裂隙岩体的渗透特性。而本文将裂隙抽样方法得到的渗透张量与抽水试验相结合，进行各主渗透方向的渗透系数的修正，得到反映原位地质环境裂隙岩体的修正渗透张量，从而得到更与实际相符合的各向异性地下水渗流场。

将修正了的渗透张量应用于数值模型Visual Modflow中，得到较与实际情况相符的各向异性的地下水渗流模型，能够较准确的描述地下采矿工程在生产过程中其周边地下水渗流场的变化趋势，进而较准确的预测出敏感点的地下水水位变化幅度，为工程预防和地下水环境的保护提供较为可靠的依据。

［1］彭进夫.裂隙岩体地下水渗流研究［J］.西北水电.1993，(03):1-5.

［2］许模，黄润秋.岩体渗透特性的渗透张量分析在某水电工程中的应用［J］.成都理工学院学报.1997，24(1):57-63.

［3］田开铭，万力.各向异性裂隙介质渗透性的研究与评价［M］.北京:学苑出版社.1989.

［4］李平，卢文喜.蒲石河抽水蓄能电站上水库裂隙岩体渗透张量的确定［J］.水文地质工程地质.2008，(01):76-79.

［5］哈秋舲，陈洪凯.岩石边坡地下水渗流及排水研究——永久船闸陡高边坡岩体力学研究(四)［M］.北京:中国建筑工业出版社.1997.